เบตาตรอน เป็น เครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมชนิดหนึ่งสำหรับอิเล็กตรอนประกอบด้วยห้องสุญญากาศรูปทรงวงแหวนที่มีแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอน แกนหม้อแปลงเหล็กที่มีขดลวดพันรอบวงแหวนนั้นทำงานคล้ายกับหม้อแปลงไฟฟ้าโดยอิเล็กตรอนในห้องสุญญากาศรูปทรงวงแหวนทำหน้าที่เป็นขดลวดทุติยภูมิ กระแสสลับในขด ลวดปฐม ภูมิจะเร่งอิเล็กตรอนในสุญญากาศให้เคลื่อนที่ไปตามเส้นทางวงกลม เบตาตรอนเป็นเครื่องแรกที่สามารถผลิตลำแสงอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงกว่าที่ทำได้ด้วยปืนอิเล็กตรอน แบบธรรมดา และเป็นเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมเครื่องแรกที่อนุภาคโคจรด้วยรัศมีคงที่^{[ 1 ]}

แนวคิดของเบตาตรอนได้รับการเสนอขึ้นตั้งแต่ปี 1922 โดยโจเซฟ สเลเปียน^{[ 2 ]}ตลอดช่วงทศวรรษ 1920 และ 1930 นักวิทยาศาสตร์หลายคนได้พิจารณาปัญหาทางทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์นี้ รวมถึง รอ ^ล์ฟ ไวเดโร [ ^{3 ] [ 4 ]}เออร์เนสต์ วอลตันและแม็กซ์ สตีนเบ็ค [ ^{5 ] เบตา} ตรอนเครื่องแรกที่ใช้งานได้ถูกสร้างขึ้นโดยโดนัลด์ เคิร์สต์ที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญในปี 1940 ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

หลังจากการค้นพบกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ ในช่วงทศวรรษ 1800 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าสามารถเกิดขึ้นได้จากสนามแม่เหล็ก ที่เปลี่ยนแปลง นักวิทยาศาสตร์หลายคนคาดการณ์ว่าผลกระทบนี้สามารถนำมาใช้เร่งอนุภาคที่มีประจุให้มีพลังงานสูงได้^{[ 2 ]}โจเซฟ สเลเปียนเสนออุปกรณ์ในปี 1922 ที่จะใช้แม่เหล็กถาวรในการควบคุมลำแสงขณะที่ถูกเร่งด้วยสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง^{[ 9 ]}อย่างไรก็ตาม เขาไม่ได้พัฒนาแนวคิดนี้ต่อไปเกินกว่าขั้นทฤษฎี

ในช่วงปลายทศวรรษ 1920 เกรกอรี ไบรต์และเมอร์ล ทูฟที่สำนักงานแม่เหล็กโลกได้สร้างอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริงซึ่งใช้สนามแม่เหล็กที่แปรผันเพื่อเร่งอิเล็กตรอน อุปกรณ์ของพวกเขาวางแม่เหล็กโซลีนอยด์ สองตัว ไว้ข้างๆ กันและยิงอิเล็กตรอนจากปืนที่ขอบด้านนอกของสนามแม่เหล็ก เมื่อสนามเพิ่มขึ้น อิเล็กตรอนจะเร่งความเร็วเข้าไปชนเป้าหมายที่ศูนย์กลางของสนาม ทำให้เกิดรังสีเอ็กซ์ อุปกรณ์นี้เป็นก้าวหนึ่งไปสู่แนวคิดเบตาตรอนโดยการปรับรูปร่างสนามแม่เหล็กเพื่อรักษาอนุภาคให้อยู่ในระนาบของการเร่งความเร็ว^{[ 2 ]}

ในปี พ.ศ. 2462 Rolf Wideroeได้มีส่วนสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาทฤษฎีนี้ โดยได้กำหนดเงื่อนไขของ Wideroeสำหรับวงโคจรที่เสถียร เขาพบว่าเพื่อให้รัศมีวงโคจรคงที่ สนามที่รัศมีนั้นจะต้องมีค่าเป็นครึ่งหนึ่งของสนามเฉลี่ยทั่วพื้นที่ของแม่เหล็ก การคำนวณที่สำคัญนี้ทำให้สามารถพัฒนาเครื่องเร่งอนุภาคที่อนุภาคโคจรด้วยรัศมีคงที่ แทนที่จะหมุนวนเข้าด้านในเหมือนในกรณีของเครื่องของ Breit และ Tuve หรือหมุนวนออกด้านนอกเหมือนในกรณีของไซโคลตรอน [ ^{10 ] แม้ว่า} Wideroe จะมีส่วนสำคัญในการพัฒนาทฤษฎีของเบตาตรอน แต่เขาก็ไม่สามารถสร้างอุปกรณ์ที่อิเล็กตรอนโคจรได้มากกว่าหนึ่งรอบครึ่ง เนื่องจากอุปกรณ์ของเขาไม่มีกลไกในการรักษาลำแสงให้โฟกัส^{[ 2 ]}

ในขณะเดียวกันกับการทดลองของ Wideroe นั้นErnest Waltonได้วิเคราะห์วงโคจรของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็ก และพบว่าสามารถสร้างวงโคจรที่โฟกัสในแนวรัศมีในระนาบของวงโคจรได้ อนุภาคในวงโคจรดังกล่าวที่เคลื่อนที่ออกห่างจากรัศมีวงโคจรไปเล็กน้อยจะได้รับแรงผลักกลับไปยังรัศมีที่ถูกต้อง^{[ 2 ]}การแกว่งรอบวงโคจรที่เสถียรในเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมนี้เรียกว่าการแกว่งแบบเบตาตรอน^{[ 10 ]}

ในปี พ.ศ. 2478 Max Steenbeckได้ยื่นขอสิทธิบัตรในเยอรมนีสำหรับอุปกรณ์ที่จะรวมเงื่อนไขการโฟกัสแบบรัศมีของ Walton เข้ากับการโฟกัสแนวตั้งที่ใช้ในเครื่องของ Breit และ Tuve ^{[ 5 ]}ต่อมาเขาอ้างว่าได้สร้างเครื่องที่ใช้งานได้จริง แต่คำกล่าวอ้างนี้ถูกโต้แย้ง^{[ 2 ]}

ทีมแรกที่ได้รับการยอมรับอย่างแน่ชัดว่าได้สร้างเบตาตรอนที่ใช้งานได้นั้น นำโดยโดนัลด์ เคิร์สต์ ที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เครื่องเร่งอนุภาคนี้เสร็จสมบูรณ์เมื่อวันที่ 15 กรกฎาคม พ.ศ. 2483 ^{[ 7 ]}

ในเบตาตรอน สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงจากขดลวดปฐมภูมิจะเร่งอิเล็กตรอนที่ถูกฉีดเข้าไปในทอรัสสุญญากาศ ทำให้พวกมันโคจรไปรอบๆ ทอรัสในลักษณะเดียวกับการเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าในขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลง ( กฎของฟาราเดย์ )

วงโคจรที่เสถียรสำหรับอิเล็กตรอนเป็นไปตามเงื่อนไข ที่ $${\displaystyle \theta _{0}=2\pi r_{0}^{2}H_{0},}$$

กล่าวอีกนัยหนึ่ง สนามแม่เหล็กที่วงโคจรจะต้องมีค่าเป็นครึ่งหนึ่งของสนามแม่เหล็กเฉลี่ยบนหน้าตัดวงกลมของวงโคจรนั้น:

$${\displaystyle H_{0}={\frac {1}{2}}{\frac {\theta _{0}}{\pi r_{0}^{2}}}.}$$

สภาวะนี้มักเรียกว่าสภาวะของไวเดอโร^[ 11 ^{] หรือ}สภาวะเบตาตรอน^{[ 12 ]}

ชื่อ "เบตาตรอน" (อ้างอิงถึงอนุภาคเบตาซึ่งเป็นอิเล็กตรอนความเร็วสูง) ได้รับเลือกในระหว่างการประกวดภายในแผนก ข้อเสนออื่นๆ ได้แก่ "รีโอตรอน", "เครื่องเร่งอนุภาคเหนี่ยวนำ", "เครื่องเร่งอิเล็กตรอนเหนี่ยวนำ" ^{[ 13 ]}และแม้กระทั่ง " Außerordentlichehochgeschwindigkeitselektronenentwickelndesschwerarbeitsbeigollitron " ซึ่งเป็นข้อเสนอแนะจากเพื่อนร่วมงานชาวเยอรมัน สำหรับ "การทำงานหนักด้วยเครื่องจักร golly เพื่อสร้างอิเล็กตรอนความเร็วสูงเป็นพิเศษ" ^{[ 14 ] [ 15 ]}หรืออาจจะเป็น "เครื่องกำเนิดอิเล็กตรอนความเร็วสูงเป็นพิเศษ พลังงานสูงโดย golly-tron" ^{[ 16 ]}

เบตาตรอนถูกนำมาใช้ในเชิงประวัติศาสตร์ใน การทดลอง ฟิสิกส์อนุภาคเพื่อสร้างลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูง—สูงถึงประมาณ 300 MeVหากลำแสงอิเล็กตรอนถูกยิงไปที่แผ่นโลหะ เบตาตรอนสามารถใช้เป็นแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ พลังงานสูง ซึ่งอาจนำไปใช้ในอุตสาหกรรมและการแพทย์ (ในอดีตใช้ในรังสีรักษา ) เบตาตรอนขนาดเล็กยังถูกใช้เป็นแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์พลังงานสูง (โดยการลดความเร็วของลำแสงอิเล็กตรอนในเป้าหมาย) เพื่อจุดระเบิดอาวุธนิวเคลียร์ทดลองบางชนิดอย่างรวดเร็วโดยอาศัยการแตกตัวของนิวเคลียสที่เกิดจากโฟตอนและการแตกตัวของนิวเคลียสจากแสงในแกนระเบิด^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

ศูนย์รังสีรักษา ซึ่งเป็นศูนย์การแพทย์เอกชนแห่งแรกที่รักษาผู้ป่วยมะเร็งด้วยเบตาตรอน เปิดโดย ดร.  โอ. อาร์เธอร์ สเตียนนอนในย่านชานเมืองแมดิสัน รัฐวิสคอนซินในช่วงปลายทศวรรษ 1950 ^{[ 20 ]}

พลังงานสูงสุดที่เบตาตรอนสามารถให้ได้นั้นถูกจำกัดโดยความแรงของสนามแม่เหล็กอันเนื่องมาจากการอิ่มตัวของเหล็ก และโดยขนาดของแกนแม่เหล็กที่ใช้งานได้จริง เครื่องเร่งอนุภาครุ่นต่อไปอย่างซินโครตรอนได้เอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ไปแล้ว

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับเบตาตรอน

• เครื่องเบตาตรอนที่ UIUC